CN108982672B - 一种气固耦合的煤样波速各向异性探测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气固耦合的煤样波速各向异性探测装置及方法，包括承压腔体、气体传输系统、煤样放置台、真三轴加压系统、换能器组和声波仪，所述承压腔体由上部敞口的承压容器和活塞顶盖组成，所述真三轴加压系统的多个轴压杆分别穿过承压容器的侧壁和活塞顶盖与试验煤样的四个侧面和顶面接触，所述气体传输系统包括真空泵、安全气瓶和高压瓦斯气瓶；本发明能够模拟煤体在深部地下的真实情况，从而得出不同物理力学性质的煤样在不同瓦斯压力、不同温度及不同三轴加载应力共同影响下超声波波速各向异性的特征，为后续的煤矿勘探开采提供理论支撑。
Description
技术领域
本发明涉及一种煤样波速各向异性探测装置及方法，具体是一种气固耦合的煤样波速各向异性探测装置及方法。
背景技术
在我国，煤炭产业安全一直以来都是关系国计民生和国家发展的重大战略问题。近些年，由于煤炭产业的功能升级和安全意识的提高，煤矿安全事故的发生率逐年下降，但由于煤矿安全事故导致的死亡人数依旧居高不下。因此，煤矿的安全生产依然是煤炭开采过程中的重中之重，特别是随着开采深度的持续增加，地应力、瓦斯压力和地温都在不断地升高，这就使得低强度的构造煤更容易发生突出，严重的威胁了矿井工作人员的生命安全。
地应力、瓦斯浓度和温度是研究煤和瓦斯突出的重要因素，采用主动地震探测技术为研究煤和瓦斯突出提供参数指标是深部煤矿开采的重要研究方向。目前对此的研究大多只考虑单个因素，如仅考虑不同物理力学性质的煤样在地应力、瓦斯浓度和温度三种因素中的某一种因素单独变化情况下对超声波波速的影响。在考虑地应力对超声波波速的影响时，大多数学者仅对煤样进行单轴加载或假三轴加载，事实上地下煤体均处于三维应力状态，三个方向上所受的应力各不相同，单轴、假三轴加载并不能真实反映煤体在深部地下所受应力的实际状态，实验结果存在局限性；同时，由于煤是由不同的矿物组成，其热膨胀系数也不同，在周围温度发生变化的情况下，煤体的孔隙结构会发生变化，对超声波在煤体内的传播速度产生了影响。煤在形成过程中因成煤作用、结构面和地应力等原因在煤的走向、倾向和垂向，三个方向上具有各向异性，因而超声波在煤体中的传播也具有各向异性，所以研究煤体某一方向的波速并不能完整地反映超声波在煤体中的传播特性。因此急需一套能考虑真三轴地应力、瓦斯浓度和温度耦合作用的煤样波速各向异性探测装置及方法。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种气固耦合的煤样波速各向异性探测装置及方法，能够模拟煤体在深部地下的真实情况，从而得出不同物理力学性质的煤样在不同瓦斯压力、不同温度及不同三轴加载应力共同影响下超声波波速各向异性的特征，为后续的煤矿勘探开采提供理论支撑。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种气固耦合的煤样波速各向异性探测装置，包括承压腔体、气体传输系统、煤样放置台、真三轴加压系统、换能器组和声波仪，
所述承压腔体由上部敞口的承压容器和活塞顶盖组成，活塞顶盖密封固定在承压容器的敞口处，煤样放置台固定在承压容器内，试验煤样处于煤样放置台上，所述试验煤样为正方体；
所述真三轴加压系统的多个轴压杆分别穿过承压容器的侧壁和活塞顶盖与试验煤样的四个侧面和顶面接触，换能器组为三个，三个换能器组均匀分布在试验煤样的六个面(即三个换能器组分别设置在试验煤样的走向、倾向和垂向)，换能器组由两个相对设置的发射换能器和接收换能器组成，发射换能器和接收换能器分别耦合在试验煤样的两个相对面，三个换能器组通过连接线与承压容器外部的声波仪连接；
所述气体传输系统包括真空泵、安全气瓶和高压瓦斯气瓶，所述真空泵的一端通过管路与承压容器内部密封连通，真空泵的另一端通过管路与安全气瓶连通，高压瓦斯气瓶通过充气管路与承压容器内部密封连通，在充气管路上装有增/减压阀，两个压力表分别装在真空泵与承压容器之间的管路上和增/减压阀与承压容器之间的充气管路上；
所述加热系统包括加热电毯、温度传感器和控制主机，控制主机处于承压容器外侧，温度传感器处于承压容器内，加热电毯包裹在承压容器外表面；控制主机分别与加热电毯和温度传感器连接。
进一步，所述煤样放置台顶面和多个轴压杆端部均开设圆凹槽，使三个换能器组中的发射换能器和接收换能器分别处于各个圆凹槽内，并通过弹簧使各个发射换能器和接收换能器均与试验煤样的六个面压紧耦合。
进一步，所述分别处于试验煤样四个侧面的轴压杆端部均采用柔性耦合，处于试验煤样顶面的轴压杆端部采用刚性耦合。
一种气固耦合的煤样波速各向异性探测方法，具体步骤为：
A、选择多个不同物理力学性质的原生结构煤样或者预制不同物理力学性质的合成煤制成的正方体型煤，作为试验煤样；
B、打开承压腔体的活塞顶盖，选取步骤A制成的其中一个试验煤样放置在承压容器内的煤样放置台上，调节真三轴加压系统，使各个轴压杆的压头分别与试验煤样的各个面接触，同时使各个发射换能器和接收换能器与试验煤样的各个面直接耦合，完成后使活塞顶盖与承压容器密封固定；
C、在煤样测试前，打开增/减压阀的阀门，高压瓦斯气瓶通过充气管路向承压腔体内充入瓦斯气体，观察压力表当承压腔体内的瓦斯气体达到一定压力后，关闭增/减压阀，然后持续观察压力表在一段时间内数值变化情况，从而对承压腔体内部气密性进行检查，当气密性检查完毕并确认气密性良好之后，将承压腔体内的瓦斯气体排入安全气瓶内；
D、开启真空泵对承压腔体内进行抽真空，通过压力表观察，当承压腔体内达到一定真空值之后停止真空泵，开启声波仪使各个发射换能器发射声波信号，声波信号经过试验煤样至与其对应的各个接收换能器，各个接收换能器将接收的声波信号反馈给声波仪，声波仪实时记录，并根据发射换能器发出声波的时刻和接收换能器接收声波的时刻，从而得出试验煤样处于真空、无荷载情况下三个换能器组各自测得的超声波波速情况，作为对照数据；具体声波在煤样内的波速为：
其中，L为相对的发射换能器和接收换能器之间的距离(即试验煤样两个相对面的长度)，t为发射换能器发出超声波到接收换能器接收到的时间，t0是已知延迟时间；
E、完成步骤D的采集后，开启真三轴加压系统，使各个轴压杆在试验煤样的垂向、走向和倾向上分别独立施加σ1、σ2、σ3的主向和两个侧向荷载，且σ1＞σ2＞σ3，同时通过高压瓦斯气瓶向承压腔体内部充入瓦斯，通过压力表观察达到目标压力值后关闭增/减压阀；启动加热系统，使加热电毯对承压腔体进行加热，温度传感器实时测量承压腔体内的温度值，当测得的温度值达到设定值时停止加热，并通过控制主机控制承压腔体内的温度保持恒定后，开启声波仪记录在该瓦斯压力值、温度值及三轴加载应力值下的三个换能器组测得的波速情况，然后调整瓦斯压力值、温度值及三轴加载应力值后，开启声波仪再次记录在该情况下的三个换能器组测得的波速情况，从而得出该试验煤样处于不同瓦斯压力、不同温度及不同三轴加载应力情况下，该试验煤样在不同层理方向上测得的超声波波速变化情况；
F、完成后，先卸载试验煤样的三轴加载应力，接着关闭加热系统，然后再将瓦斯气体通过管路排出到安全气瓶内，对承压容器内的瓦斯压力进行卸载，最后打开活塞顶盖，取出已测量的试验煤样；在步骤A中制得的试验煤样中再选取一个，重复步骤B～F，直至所有制备的试验煤样均完成测试过程；
G、对得出的不同试验煤样、不同瓦斯压力、不同温度及不同三轴加载应力情况下的超声波波速变化情况并结合步骤D得出的对照数据进行综合分析，得出不同试验煤样在不同层理方向(即试验煤样的走向、倾向和垂向)上的波速差异，最终分析试验煤样在各种条件下的波速各向异性(即试验煤样的走向、倾向和垂向的波速差异性)。
与现有技术相比，本发明通过使不同物理力学性质的煤样在不同瓦斯压力、不同温度及不同三轴加载应力条件下，从而能够模拟煤体在深部地下的真实情况，然后在上述不同条件变化的基础上，对试验煤样在走向、倾向和垂向，三个方向上分别测得超声波变化情况，最终得出上述各种条件下试验煤样的超声波波速各向异性的特征，为后续的煤矿勘探开采提供理论支撑。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中煤样的层理方向示意图。
图中：1、承压腔体，2、活塞顶盖，3、煤样放置台，4、试验煤样，5、增/减压阀门，6、高压瓦斯气瓶，7、压力表，8、真三轴加压系统，9、轴压杆，10、发射换能器，11、接收换能器，12、真空泵，13、安全气瓶，14、声波仪，15、加热系统，16、温度传感器；x轴为走向，y轴为倾向，z轴为垂向。
具体实施方式
下面将对本发明做进一步说明。
如图所示，一种气固耦合的煤样波速各向异性探测装置，包括承压腔体1、气体传输系统、煤样放置台3、真三轴加压系统8、换能器组和声波仪14，
所述承压腔体1由上部敞口的承压容器和活塞顶盖2组成，活塞顶盖2密封固定在承压容器的敞口处，煤样放置台3固定在承压容器内，试验煤样4处于煤样放置台3上，所述试验煤样4为正方体；
所述真三轴加压系统8的多个轴压杆9分别穿过承压容器的侧壁和活塞顶盖2与试验煤样4的四个侧面和顶面接触，换能器组为三个，三个换能器组均匀分布在试验煤样4的六个面(即三个换能器组分别设置在试验煤样4的走向、倾向和垂向)，换能器组由两个相对设置的发射换能器10和接收换能器11组成，发射换能器10和接收换能器11分别耦合在试验煤样4的两个相对面，三个换能器组通过连接线与承压容器外部的声波仪14连接；
所述气体传输系统包括真空泵12、安全气瓶13和高压瓦斯气瓶6，所述真空泵12的一端通过管路与承压容器内部密封连通，真空泵12的另一端通过管路与安全气瓶13连通，高压瓦斯气瓶6通过充气管路与承压容器内部密封连通，在充气管路上装有增/减压阀5，两个压力表7分别装在真空泵12与承压容器之间的管路上和增/减压阀5与承压容器之间的充气管路上；
所述加热系统15包括加热电毯、温度传感器16和控制主机，控制主机处于承压容器外侧，温度传感器16处于承压容器内，加热电毯包裹在承压容器外表面；控制主机分别与加热电毯和温度传感器16连接。
进一步，所述煤样放置台3顶面和多个轴压杆9端部均开设圆凹槽，使三个换能器组中的发射换能器10和接收换能器11分别处于各个圆凹槽内，并通过弹簧使各个发射换能器10和接收换能器11均与试验煤样4的六个面压紧耦合。
进一步，所述分别处于试验煤样4四个侧面的轴压杆9端部均采用柔性接触，处于试验煤样4顶面的轴压杆9端部采用刚性接触。
一种气固耦合的煤样波速各向异性探测方法，具体步骤为：
A、选择多个不同物理力学性质的原生结构煤样或者预制不同物理力学性质的合成煤制成的正方体型煤，作为试验煤样4；
B、打开承压腔体1的活塞顶盖2，选取步骤A制成的其中一个试验煤样4放置在承压容器内的煤样放置台3上，调节真三轴加压系统8，使各个轴压杆9的压头分别与试验煤样4的各个面接触，同时使各个发射换能器10和接收换能器11与试验煤样4的各个面直接耦合，完成后使活塞顶盖2与承压容器密封固定；
C、在煤样测试前，打开增/减压阀5的阀门，高压瓦斯气瓶8通过充气管路向承压腔体1内充入瓦斯气体，观察压力表7当承压腔体1内的瓦斯气体达到一定压力后，关闭增/减压阀5，然后持续观察压力表7在一段时间内数值变化情况，从而对承压腔体1内部气密性进行检查，当气密性检查完毕并确认气密性良好之后，将承压腔体1内的瓦斯气体排入安全气瓶内13；
D、开启真空泵12对承压腔体1内进行抽真空，通过压力表7观察，当承压腔体1内达到一定真空值之后停止真空泵，开启声波仪14使各个发射换能器10发射声波信号，声波信号经过试验煤样4至与其对应的各个接收换能器11，各个接收换能器11将接收的声波信号反馈给声波仪14，声波仪14实时记录，并根据发射换能器10发出声波的时刻和接收换能器接收声波的时刻，从而得出试验煤样4处于真空、无荷载情况下三个换能器组各自测得的超声波波速情况，作为对照数据；具体声波在煤样内的波速为：
其中，L为相对的发射换能器10和接收换能器11之间的距离(即试验煤样4两个相对面的长度)，t为发射换能器10发出超声波到接收换能器11接收到的时间，t0是声波仪已知的延迟时间；
E、完成步骤D的采集后，开启真三轴加压系统8，使各个轴压杆9在试验煤样4的垂向、走向和倾向上分别独立施加σ1、σ2、σ3的主向和两个侧向荷载，且σ1＞σ2＞σ3，同时通过高压瓦斯气瓶6向承压腔体1内部充入瓦斯，通过压力表7观察达到目标压力值后关闭增/减压阀5；启动加热系统15，使加热电毯对承压腔体1进行加热，温度传感器16实时测量承压腔体1内的温度值，当测得的温度值达到设定值时停止加热，并通过控制主机控制承压腔体1内的温度保持恒定后，开启声波仪14记录在该瓦斯压力值、温度值及三轴加载应力值下的三个换能器组测得的波速情况，然后调整瓦斯压力值、温度值及三轴加载应力值后，开启声波仪14再次记录在该情况下的三个换能器组测得的波速情况，从而得出该试验煤样4处于不同瓦斯压力、不同温度及不同三轴加载应力情况下，该试验煤样4在不同层理方向上测得的超声波波速变化情况；
F、完成后，先卸载试验煤样4的三轴加载应力，接着关闭加热系统15，然后再将瓦斯气体通过管路排出到安全气瓶13内，对承压容器内的瓦斯压力进行卸载，最后打开活塞顶盖2，取出已测量的试验煤样4；在步骤A中制得的试验煤样4中再选取一个，重复步骤B～F，直至所有制备的试验煤样4均完成测试过程；
G、对得出的不同试验煤样4、不同瓦斯压力、不同温度及不同三轴加载应力情况下的超声波波速变化情况并结合步骤D得出的对照数据进行综合分析，得出不同试验煤样4在不同层理方向(即试验煤样4的走向、倾向和垂向)上的波速差异，最终分析试验煤样4在各种条件下的波速各向异性(即试验煤样4的走向、倾向和垂向的波速差异性)。
Claims (3)
1.一种气固耦合的煤样波速各向异性探测方法，其特征在于，采用的煤样波速各向异性探测装置，包括承压腔体(1)、气体传输系统、煤样放置台(3)、真三轴加压系统(8)、换能器组、声波仪(14)和加热系统(15)，
所述承压腔体(1)由上部敞口的承压容器和活塞顶盖(2)组成，活塞顶盖(2)密封固定在承压容器的敞口处，煤样放置台(3)固定在承压容器内，试验煤样(4)处于煤样放置台(3)上，所述试验煤样(4)为正方体；
所述真三轴加压系统(8)的多个轴压杆(9)分别穿过承压容器的侧壁和活塞顶盖(2)与试验煤样(4)的四个侧面和顶面接触，换能器组为三个，三个换能器组均匀分布在试验煤样(4)的六个面，换能器组由两个相对设置的发射换能器(10)和接收换能器(11)组成，发射换能器(10)和接收换能器(11)分别耦合在试验煤样(4)的两个相对面，三个换能器组通过连接线与承压容器外部的声波仪(14)连接；
所述气体传输系统包括真空泵(12)、安全气瓶(13)和高压瓦斯气瓶(6)，所述真空泵(12)的一端通过管路与承压容器内部密封连通，真空泵(12)的另一端通过管路与安全气瓶(13)连通，高压瓦斯气瓶(6)通过充气管路与承压容器内部密封连通，在充气管路上装有增/减压阀(5)，两个压力表(7)分别装在真空泵(12)与承压容器之间的管路上和增/减压阀(5)与承压容器之间的充气管路上；
所述加热系统(15)包括加热电毯、温度传感器(16)和控制主机，控制主机处于承压容器外侧，温度传感器(16)处于承压容器内，加热电毯包裹在承压容器外表面；控制主机分别与加热电毯和温度传感器(16)连接，具体步骤为：
A、选择多个不同物理力学性质的原生结构煤样或者预制不同物理力学性质的合成煤制成的正方体型煤，作为试验煤样(4)；
B、打开承压腔体(1)的活塞顶盖(2)，选取步骤A制成的其中一个试验煤样(4)放置在承压容器内的煤样放置台(3)上，调节真三轴加压系统(8)，使各个轴压杆(9)的压头分别与试验煤样(4)的各个面接触，同时使各个发射换能器(10)和接收换能器(11)与试验煤样(4)的各个面直接耦合，完成后使活塞顶盖(2)与承压容器密封固定；
C、在煤样测试前，打开增/减压阀(5)的阀门，高压瓦斯气瓶(6)通过充气管路向承压腔体(1)内充入瓦斯气体，观察压力表(7)当承压腔体(1)内的瓦斯气体达到一定压力后，关闭增/减压阀(5)，然后持续观察压力表(7)在一段时间内数值变化情况，从而对承压腔体(1)内部气密性进行检查，当气密性检查完毕并确认气密性良好之后，将承压腔体(1)内的瓦斯气体排入安全气瓶内(13)；
D、开启真空泵(12)对承压腔体(1)内进行抽真空，通过压力表(7)观察，当承压腔体(1)内达到一定真空值之后停止真空泵(12)，开启声波仪(14)使各个发射换能器(10)发射声波信号，声波信号经过试验煤样(4)至与其对应的各个接收换能器(11)，各个接收换能器(11)将接收的声波信号反馈给声波仪，声波仪(14)实时记录，并根据发射换能器(10)发出声波的时刻和接收换能器(11)接收声波的时刻，从而得出试验煤样(4)处于真空、无荷载情况下三个换能器组各自测得的超声波波速情况，作为对照数据；
E、完成步骤D的采集后，开启真三轴加压系统，使各个轴压杆在试验煤样(4)的垂向、走向和倾向上分别独立施加σ1、σ2、σ3的主向和两个侧向荷载，且σ1＞σ2＞σ3，同时通过高压瓦斯气瓶(6)向承压腔体(1)内部充入瓦斯，通过压力表(7)观察达到目标压力值后关闭增/减压阀(5)；启动加热系统(15)，使加热电毯对承压腔体(1)进行加热，温度传感器(16)实时测量承压腔体(1)内的温度值，当测得的温度值达到设定值时停止加热，并通过控制主机控制承压腔体(1)内的温度保持恒定后，开启声波仪(14)记录在该瓦斯压力值、温度值及三轴加载应力值下的三个换能器组测得的波速情况，然后调整瓦斯压力值、温度值及三轴加载应力值后，开启声波仪(14)再次记录在该情况下的三个换能器组测得的波速情况，从而得出该试验煤样(4)处于不同瓦斯压力、不同温度及不同三轴加载应力情况下，该试验煤样(4)在不同层理方向上测得的超声波波速变化情况；
F、完成后，先卸载试验煤样的三轴加载应力，接着关闭加热系统(15)，然后再将瓦斯气体通过管路排出到安全气瓶(13)内，对承压容器内的瓦斯压力进行卸载，最后打开活塞顶盖(2)，取出已测量的试验煤样(4)；在步骤A中制得的试验煤样(4)中再选取一个，重复步骤B～F，直至所有制备的试验煤样(4)均完成测试过程；
G、对得出的不同试验煤样(4)、不同瓦斯压力、不同温度及不同三轴加载应力情况下的超声波波速变化情况并结合步骤D得出的对照数据进行综合分析，得出不同试验煤样(4)在不同层理方向上的波速差异，最终分析试验煤样(4)在各种条件下的波速各向异性。
2.根据权利要求1所述的一种气固耦合的煤样波速各向异性探测方法，其特征在于，所述煤样放置台(3)顶面和多个轴压杆(9)端部均开设圆凹槽，使三个换能器组中的发射换能器(10)和接收换能器(11)分别处于各个圆凹槽内，并通过弹簧使各个发射换能器(10)和接收换能器(11)均与试验煤样(4)的六个面压紧耦合。
3.根据权利要求1所述的一种气固耦合的煤样波速各向异性探测方法，其特征在于，所述分别处于试验煤样(4)四个侧面的轴压杆(9)端部均采用柔性耦合，处于试验煤样(4)顶面的轴压杆(9)端部采用刚性耦合。
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